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模具工业及塑料模的发展现状


江西赣江职业技术学院毕业论文

江西赣江职业技术学院

毕 业 论 文
题 目:论塑料模具制造业的发展与研究

机械工程学院 学 院 朱凯 姓 名 学 号 08021020158 08 届 专 业 模具设计与制造 届 别 刘志红 工程师 指导教师 职 称 讲师、

二O一

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十一 月

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毕业论文诚信承诺书
毕业论文题目 塑料模具制造业的发展与研究 模具设计与 学生姓名 朱凯 专 业 制造 指导老师 所在学院 刘志红 职 称 机械工程学院 学 号 08021020158

讲师、工程师

诚信承诺

本人慎重承诺和声明: 在毕业论文活动中遵守学校有关规定,恪守学术规范,在本人的毕业论文 中未剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果,未篡改研究数据,如有违规行 为发生,我愿承担一切责任,接受学校的处理。

学生(签名) :朱凯 2010 年 11 月 11 日

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模具是以特定的结构形式通过一定的方式使材料成形为制品的工具产 品,是工业生产基础工艺装备,以其生产制件所表现的高精度、高复杂程 度、高一致性、高生产效率和低耗能耗材,越来越引起各级政府和国民经 济各产业的重视,特别是轻工、电子、机械、通讯、交通、汽车、军工等 部门,如果没有模具就很难生产和发展产品;如果不能及时供应模具,就 会影响生产的发展;如果模具精度低则产品质量差;如果模具寿命短则生 产效率低、成本高。欧美工业发达国家将模具比喻为“点铁成金”的“磁力工 业” “金钥匙” “金属加工帝皇” “进入富裕社会的原动力” 在我国把模具称为 、 、 、 。 “工业之母” 和“无以伦比的效益放大器” 目前正值我国经济飞速发展时期, 、 。 塑料工业也得到前所未有的发展,塑料模具也正越来越在显示其在工业生 产中的基础作用,但就在塑料模具得到高速发展的同时,由于自身先天不 足的原因,以及国外先进技术与高质量制品的竞争,塑料模具也面临着前 所未有的挑战。在这样的形式下,中国塑模企业不仅要加快产业集群化, 发挥规模效应,还要注重模具产业链的前端研发、人才建设和产业链后端 的检测以及信息服务,尽快缩短技术、管理、工装水平与国际水准的差距。 这是塑料模具企业在发展中必须解决的重要问题。 【关键词】 模具制造 塑料模具 关键词】 高速发展 挑战

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Abstract
Mould is certain structure form through certain way makes material forming for products tool product, industrial production base for its production technology and equipment, parts of performance, high precision, high complexity, high consistency, high efficiency and low consumption consumables, governments at all levels and national economy and has attracted the attention of different industries, especially in light industry, electronics, machinery, communication, transportation, car, military, and other departments, and if no mold is difficult to production and development of product, If cannot promptly supply mould, it will affect the development of production, If mould low accuracy is poor product quality; If die life is short criterion production efficiency, low cost are high. Euramerican developed industrial countries will die compared to "DianTieChengJin" "magnetic industry", "golden key", "metal processing the emperor" and "into the impulsion of the affluent society". In our country the mould called "the mother of industrial", and "peerless the benefit of the amplifier". It came at a rapid development of economy of our country period, plastic industry also unprecedently development, plastic mould are increasingly on display in the industrial production, but the basic role in plastic mould to get high speed development and at the same time, because of its inherent shortage of reason, and foreign advanced technology and high quality products of the competition, plastic mold also face unprecedented challenges. In such form, China plastic mould enterprise should not only accelerate industrial cluster, play scale effect, notice the mold industry chain front-end r&d, talents construction and industrial chain after the detection and information service, as soon as possible to shorten technology, management, tooling level with international standards gap. This is plastic mold enterprise in developing must resolve important issues.

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【 Key

words 】 Mould manufacturing

Plastic mould

High-speed

development challenge

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前言 1 我国模具工业的概况



1.1模具工业的地位及作用………………………………………………(6) 1.2中国模具行业的发展现状……………………………………………(7) 1.3 中国模具发展的方向………………………………………………(7)

2 塑料模具的地位和发展
2.1塑料行业的地位和发展趋势 ………………………………………(9) 2.2塑料模具的地位和发展 ……………………………………………(11)

3 塑料模具制造业的发展和研究
3.1纳米技术让塑料模具业渐入佳境 …………………………………(12) 3.2制造设备的发展带来模具制造业的快速发展 ……………………(13) 3.3CAD/CAM 集成技术在塑料模具制造中的应用 ………………………(14)

4 塑料模具制造业的发展以及所面临的挑战
(21) 参考文献 ………………………………………………………………

致 谢……………………………………………………………………(22)

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近年来,我国塑料模具业发展相当快,目前,塑料模具在整 个模具行业中约占 30%左右。当前,国内塑料模具市场以注塑模 具需求量最大,其中发展重点为工程塑料模具。我国国民经济 的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求,仅汽车行业将 需要各种塑料制品 36 万吨;电冰箱、洗衣机和空调的年产量均 超过 1000 万台;彩电的年产量己超过 3000 万台。到 2010 年, 在建筑与建材行业方面,塑料门窗的普及率为 30%,塑料管的普 及率将达到 50%,这些都会大大增加对模具的需求量。建筑、建 材业塑料建材可大量代钢、代木、替代传统建材,将在今后得 到越来越多的应用。预测 2005 年建筑用塑料制品的占总产量 16%,约 400 万吨,因此塑料建材模具需求量将增长较快。由于 国家己明令禁止使用铸铁管道,代之以塑料管材,预计 2010 年 全国新建住宅室内排水管 80%及城市供水 50%将采用塑料管。同 时,国家正在大力发展塑料门窗,到 2010 年塑料门窗和塑料管 的普及率将达到 30%---50%,塑料排水管的市场占有率将超过 50%。 因此,有专家预测,在未来的模具市场中,塑料模具在模 具总量中的比例将逐步提高,且发展速度将高于其他模具。

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塑料模具制造业的发展与研究
1 我国模具工业的概况
1.1 模具工业的地位及作用
现代模具工业有“不衰亡工业”之称。 模具是以特定的结构形式通过 一定的方式使材料成形为制品的工具产品,是工业生产基础工艺装备,以 其生产制件所表现的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产效率和低耗 能耗材,越来越引起各级政府和国民经济各产业的重视,特别是轻工、电 子、机械、通讯、交通、汽车、军工等部门,如果没有模具就很难生产和 发展产品;如果不能及时供应模具,就会影响生产的发展;如果模具精度 低则产品质量差;如果模具寿命短则生产效率低、成本高。欧美工业发达 国家将模具比喻为“点铁成金”的“磁力工业”“金钥匙”“金属加工帝 、 、 皇”“进入富裕社会的原动力” 、 。在我国把模具称为“工业之母” 、和“无 以伦比的效益放大器” 世界模具市场总体上供不应求, 。 市场需求量维持在 600 亿至 650 亿美元,同时,我国的模具产业也迎来了新一轮的发展机遇。 近几年,我国模具产业总产值保持 13%的年增长率。随着现代工业发展的 需要,塑料制品在工业、农业和日常生活等各个领域的应用越来越广泛, 质量要求也越来越高。在中国,人们已经越来越认识到模具在制造中的重 要基础地位,认识到模具技术水平的高低,已成为衡量一个国家制造业水 平高低的重要标志,并在很大程度上决定着产品质量、效益和新产品的开 发能力。许多模具企业十分重视技术发展,加大了用于技术进步的投资力 度,将技术进步视为企业发展的重要动力。此外,许多研究机构和大专院 校开展模具技术的研究和开发。

1.2 中国模具行业发展现状
目前,中国 17000 多个模具生产厂点,从业人数约 50 多万。1999 年中 国模具工业总产值已达 245 亿元人民币。工业总产值中企业自产自用的约 占三分之二,作为商品销售的约占三分之一。在模具工业的总产值中,冲 压模具约占 50%,塑料模具约占 33%,压铸模具约占 6%,其它各类模具约

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占 11%。 (据不完全统计,2006 年国内模具进口总值达到 800 多亿,同时, 有近 300 个亿的出口) 2007 年模具产值预计为 900 亿元, ? 模具及模具标 准件出口将从现在的每年 2.5 亿美元增长到 2007 年的 5 亿美元左右。 单就 汽车产业而言,一个型号的汽车所需模具达几千副,价值上亿元,而当汽 车更换车型时约有 80%的模具需要更换。 2006 年我国汽车产销量均突破 600 万辆,预计 2007 年产销量各突破 680 万辆,轿车产量将达到 260 万辆。另 外,电子和通讯产品对模具的需求也非常大,在发达国家往往占到模具市 场总量的 20%之多。 虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展,但许多方 面与工业发达国家相比仍有较大的差距。例如,精密加工设备在模具加工 设备中的比重还比较低,CAD/CAE/CAM 技术的普及率不高,许多先进的模 具技术应用还不够广泛等等。特别在大型、精密、复杂和长寿命模具技术 上存在明显差距,这些类型模具的生产能力也不能满足国内需求,因而需 要大量从国外进口。

1.3 中国模具发展的方向
2005 年中国大陆制造工业对模具的总市场需求量约为 630 亿元, 今后 几年仍将以每年 13%以上的速度增长。对于大型、精密、复杂、长寿命模 具需求的增长将远超过每年 13%的增幅。汽车、摩托车行业的发展将会大 大推动模具工业的高速增长,特别是汽车覆盖件模具、塑料模具和压铸模 具的发展。家用电器,如彩电、冰箱、洗衣机、空调等,在国内的市场很 大。目前,我国的彩电的年产量已超过 5200 万台,电冰箱、洗衣机和空调 的年产量均超过了 3000 万台。 家用电器行业的发展对模具的需求量也将会 很大。其他发展较快的行业,如电子、通讯和建筑材料等行业对模具的需 求,都将对中国模具工业和技术的发展产生巨大的推动作用。 近年来,

中国塑料模具发展速度相当快。目前,塑料模具在整个模具行业中所占比 重约为 30%。随着中国汽车、家电、电子通讯、各种建材迅速发展,预计 在未来模具市场中,塑料模具占模具总量的比例仍将逐步提高,且发展速 度将快于其他模具。以汽车工业为例,随着汽车产销量高速增长,汽车模 具潜在市场十分巨大。据介绍,在生产汽车时,各种功能性零部件都要靠

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模具成型, 仅制造一款普通轿车约需 200 多件内饰件模具, 而制造保险杠、 仪表盘、油箱、方向盘等所需的大中型塑料模具,从模具行业生产能力看, 目前满足率仅约 50%。在建筑领域,塑料建材大量替代传统材料也是大势 所趋,预计 2010 年全国塑料门窗和塑管普及率将达到 30%~50%,塑料排 水管市场占有率将超过 50%,都会大大增加对模具的需求量。应该说,塑 料模具的应用潜力是不可低估的。专家预测,大型、精密、设计合理的注 塑模具将受到市场普遍欢迎。 我国模具行业将向大型、精密、复杂、高效、长寿命和多功能方向发 展。目前,电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电、通讯和军工等 产品中,60%-80%的零部件,都要依靠模具成型。用模具成型的制件所 表现出来的高精度、高复杂性、高一致性、高生产率和低消耗,是其他加 工制造方法所无法比拟。模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和开 发能力。精度将越来越高。10 年前,精密模具的精度一般为 5μm,现在 已达 2-3μm。不久,1μm精度的模具将上市。随着零件微型化及精度 要求的提高,有些模具的加工精度公差就要求在1μm以下,这就要求发 展超精加工。 我国模具行业要进一步发展多功能复合模具,一套多功能模具除了冲 压成型零件外,还担负叠压、攻丝、铆接和锁紧等组装任务。通过这种多 功能的模具生产出来的不再是成批零件,而是成批的组件,如触头与支座 的组件、各种微小电机、电器及仪表的铁芯组件等。多色和多材质塑料成 形模具也将有较快发展。这种模具缩短了产品的生产周期,今后在不同领 域将得到发展和应用。随着热流道技术的日渐推广应用,热流道模具在塑 料模具中的比重将逐步提高。采用热流道技术的模具可提高制件的生产率 和质量, 并能大幅度节约制件的原材料, 这项技术的应用在国外发展很快, 已十分普遍。国内热流道模具也已经生产,有些企业已达 30%左右,但总 的来看,比例太低,亟待发展。随着塑料成型工艺的不断改进与发展,气 辅模具及适应高压注射成型工艺的模具将随之发展。模具标准件的应用将 日渐广泛,模具标准化及模具标准件的应用能极大地影响模具制造周期。 使用模具标准件不但能缩短模具制造周期,而且能提高模具质量和降低模 具制造成本。同时,快速经济模具的前景十分广阔。由于人们要求模具的

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生产周期越短越好,因此开发快速经济模具越来越引起人们的重视。例如 研制各种超塑性材料来制作模具;用环氧、聚酯或在其中填充金属、玻璃 等增强物制作简易模具。这类模具制造工艺简单,精度易控制,收缩率较 小,价格便宜,寿命较高。还可用水泥塑料制作汽车覆盖件模具。中、低 熔点合金模具,喷涂成型模具,电铸模,精铸模,层叠模,陶瓷吸塑模及 光造型和使用热硬化橡胶快速制造低成本模具等快速经济模具将进一步发 展。快换模架、快换冲头等也将日益发展。另外采用计算机控制和机械手 操作的快速换模装置、快速试模装置技术也会得到发展和提高。模具行业 中压铸模的比例将不断提高。随着车辆和电机等产品向轻量化方向发展, 对压铸模的数量、寿命和复杂程度将提出越来越高的要求。随着以塑料代 钢、以塑代木的发展和产品零件的精度和复杂程度的不断提高,塑料模的 比例将不断提高,其精度和复杂程度也将随着相应提高。未来模具产品将 配合光电、3C/IC 产业发展,以更快的速度制造出更精密的产品,因此精 密电子模具的协同开发、高品质模具产品的全球化供应,应是今后模具业 的重要发展方向。

2 塑料模具的地位和发展
2.1 塑料行业的地位及发展趋势
塑料作为现代社会经济发展的基础材料之一,是农业、工业、能源、 交通运输等经济领域不可缺少的重要材料,其用途已渗透到经济和生活的 各个领域,和钢铁、木材、水泥成为材料领域的四大支柱。模具是工业生 产的基础工艺装备,被各行业广泛用于生产最终产品,其产生的价值往往 是模具自身价值的几十倍、上百倍,被誉为“效益放大器” 。模具生产技术 水平的高低,已成为衡量一个地区制造水平高低的重要标志。 塑料模具行业的产业关联度大,带动力强,外向度高。发展塑料模具 行业可以拉动其它行业发展,增加就业,扩大出口,推动产业结构调整。 塑料模具行业已成为我市的五大主导行业之一,省政府制订的《江苏省先 进制造业基地建设规划纲要》中,拟把苏州和常州培育成为塑料制品及模 具的全国制造中心;市政府在《常州市先进制造业基地建设规划纲要》中, 提出了打造“中国塑料制品之都”“中国模具之都”的奋斗目标。制定《常 、

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州市塑料模具行业发展规划》 (2004—2010 年) ,对全面认识我市塑料模具 行业发展现状,抓住发展机遇,明确发展方向,制定发展政策,提升产业 竞争力,推进台州先进制造业基地建设,都具有十分重要的战略意义和现 实意义。 塑料行业作为国民经济的一个重要行业,其增长速度与国民经济的增 长速度高度相关。改革开放以来,我国的塑料加工工业以年均 10%以上的 速度快速发展,比 GDP 平均增速高出 3-5 个百分点。目前我国已步入世界 塑料大国的行列,年塑料制品产量居世界第二位,2003 年我国塑料制品总 产量达 1650.5 万吨, 已形成门类完整的产业体系。 但从塑料制品的人均消 费量来看,目前我国人均消费量仅 12 公斤左右,而发达国家是 30-100 公斤,世界平均消费量也达 18 公斤,因此,我国塑料行业仍有广阔发展前 景。 据预测,2005 年我国塑料制品需求量为 2500 万吨,其中农业塑料制 品 470 万吨,占总需求量的 18.8%;包装塑料制品 550 万吨,占总需求量 的 22.0%;建筑用塑料制品 400 万吨,占总需求量的 16.0%;工业配套用塑 料制品 450 万吨,占总需求量的 18.0%;日用塑料和医用塑料制品 472 万 吨, 占总需求量的 18.7%; 人造革、 合成革产品 78 万吨, 占总需求量的 3.2%; 其它塑料制品约 78 万吨,占总需求量的 3.2%. 随着塑料制品的应用领域不断拓展, 未来 10 年, 世界塑料制品生产将 以每年 3%的速度增长,到 2010 年世界塑料制品总产量将达到 1.86 亿吨。 我国对塑料制品将保持旺盛的需求,塑料制品生产将以每年 10%的速度增 长,预计到 2010 年我国塑料制品总产量接近 4000 万吨。 我国未来塑料工业的发展重点在工业交通及工程塑料制品、包装塑料 制品、建筑塑料制品、农用塑料制品和塑料节水器材等方面。 工业、交通及工程塑料制品:工程塑料是目前塑料工业中发展最快的 类别,随着我国经济的快速发展,其应用范围和数量不断增加。该领域的 产品包括交通、运输业用塑料,电子、电器、信息产业用工程塑料等。预 计到 2005 年,工程塑料制品总需求量约为 450 万吨;到 2010 年,仅汽车 用塑料的需求量就将达到 100 万吨。 包装塑料制品:塑料具有优异的性能,包装领域是塑料应用的最大领

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域。据统计,世界各国塑料平均有 35%用于包装。2003 年我国用于包装的 塑料制品产量达 465 万吨,占塑料制品总产量的 28.1%,产值达 680 亿元, 比 2001 年增长 14.2%.预计我国包装塑料制品在 2010 年之前的年平均增长 速度达到 12%. 建筑塑料制品:塑料建材是新兴的第四代新型建筑材料,主要包括塑 料管、塑料门窗、建筑防水材料、隔热保温材料、装饰装修材料等,在建 筑工程、市政工程、村镇建设以及工业建设中用途十分广泛。塑料建材不 仅能替代木材、钢材等传统建材,而且还具有节能节材、保护生态、改善 居住环境、提高建筑功能与质量、降低建筑自重、施工便捷等优越性。建 筑业是国民经济的支柱产业, 今后 5-15 年我国建筑业将会有较大的发展。

2.2 塑料模具的地位和发展
近年来,我国塑料模具业发展相当快, 目前, 塑料模具在整个模具行业 中约占 30%左右。当前,国内塑料模具市场以注塑模具需求量最大,其中 发展重点为工程塑料模具。 我国国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求,仅汽车 行业将需要各种塑料制品 36 万吨; 电冰箱、 洗衣机和空调的年产量均超过 1000 万台;彩电的年产量己超过 3000 万台。到 2010 年,在建筑与建材行 业方面,塑料门窗的普及率为 30%,塑料管的普及率将达到 50%,这些都会 大大增加对模具的需求量。 建筑、建材业塑料建材可大量代钢、代木、替代传统建材,将在今后 得到越来越多的应用。 预测 2005 年建筑用塑料制品的占总产量 16%, 400 约 万吨,因此塑料建材模具需求量将增长较快。由于国家己明令禁止使用铸 铁管道,代之以塑料管材,预计 2010 年全国新建住宅室内排水管 80%及城 市供水 50%将采用塑料管。同时,国家正在大力发展塑料门窗,到 2010 年 塑料门窗和塑料管的普及率将达到 30%-50%,塑料排水管的市场占有率将 超过 50%。 家电行业近期家电业所需模具量年增长率为 10%。一台电冰箱约需模 具 350 副, 价值约 400 万元; 一台全自动洗衣机约需模具 200 副, 价值 3000 万元;一台空调器仅塑料模具就有 20 副,价值 150 万元;单台彩电大约共 需模具 140 副, 价值约 700 万元。 则仅彩电模具每年就有约 28 亿元的市场。

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随着家电市场竞争的白热化,外壳设计成为重要的一环,对家电外壳的色 彩、手感、精度、壁厚等都提出新要求。业内人士普遍认为,大型、精密、 设计合理(主要针对薄壁制品)的注塑模具将得到市场的欢迎。 因此,有专家预测,在未来的模具市场中,塑料模具在模具总量中的 比例将逐步提高,且发展速度将高于其他模具。

3 塑料模具制造业的发展与研究
3.1 纳米技术让塑料模具业渐入佳境
纳米粉体或粒子的制造是目前纳米技术最为成功的商业化应用,但事 实上并不是一个突破性的发明,而是利用过去传统的微细加工技术,然后 引入纳米概念,所创造出来的新技术概念。若要提到突破性、前瞻性的创 新发明,纳米零组件或纳米机械设备或许更为贴切一些,在这一方面,科 学家的早期的构想是,利用具有人工智能的纳米机器人,以实现纳米产品 自动化、量产化的目标,也就是利用纳米机器人,直接按照产品的形状进 行原子或分子排列,从而实现无模生产方式。然而以目前的技术来说,虽 然用来操控原子的装置,如 STM 或 AFM 已发明出来并成功的应用,但事实 上它仍然是非常高难度的技术,不但动作流程复杂,且成本极高,目前的 技术水准仍只能用来堆积平面的图案。 论及纳米已发明出来并成功的应用, 论及纳米 3D 对象甚或结构复杂的原子机器人,尚有一段很长的路要走。 既然以 STM 或纳米机器人来生产是不切实际的想法,那是否有其它方 式可以达到量产纳米产品的目标呢?最简单的方法即是采用纳米模具作为 生产机具。纳米模具的定义纳米模具的定义有两种: 1.精度及尺寸达到纳米级的模具,例如纳米碳管、纳米塑料模具; 2. 利用表面处理, 在模具表面被覆一层纳米级镀膜材料, 以增强模具强度, 减少磨损,延长使用寿命,这样所得的模具亦可称之为纳米模具。不过, 严格来说第一种定义较为贴切,第二种解释则与一般的表面处理没有多大 差别。 纳米碳管模具由日本 NEC 公司饭岛澄男所发现的纳米碳管(CNT) ,是 一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米级,轴向尺寸为微米级,故其长径比 很大,常达千倍以上)的一维纳米材料,由于 CNT 具有很多优异而独特的 光学、电学和机械性质,具有极大的应用潜力,是目前世界各国争相研究

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的重点材料之一。 由于 CNT 是中空的, 且可以被 “溶解” 因此适合作为纳米模具的素材, , 这也是 CNT 的主要应用之一。 CNT 模具利用诸如金等合适金属灌满碳管后, 接着把碳层腐蚀掉,可以制作出使用在电子连接器上的纳米导线和具有高 速选择性的 “分子筛” 目前, 。 利用 CNT 制得纳米金属线是最为可靠的方法。 纳米模具除了 CNT 以外,也可以采用极短波长的辐射波制成纳米模具,并 采用特殊加工制成精度达纳米级的纳米产品。日本利用该方法制成超微塑 料模具,而后浸泡在电镀液里,从电镀液中析出金属,然后在模具中形成 精细零件,产品的精度可达 30~50nm。 结合纳米技术的模具根据纳米模具定义的第二种解释,其范畴非常广 泛。工模具一般需要承受高温、高压、高摩擦以及交变应力和局部应力集 中作用,制程环境非常恶劣,因此模具常由于磨损、压塌、裂纹、条纹、 塑性变形、弯曲、折断而失效报废。利用纳米技术,运用于工模具,可以 有效排除造成模具报废的原因,进而提高模具寿命。

制造设备的发展带来模具制造业的快速发展 3.2 制造设备的发展带来模具制造业的快速发展
模具制造是典型的单件小批量生产方式。数控技术的发展不仅大大缩 短了模具制造周期而且大大提高了模具的制造精度。还使模具制造越来越 自动化。大大降低了模具制造的成本。而且一些复杂精密的大型模具不在 数控设备几乎不能完成。 在日本的模具制造企业,几乎已普遍采用 CNC 机床、加工中心(MC)或 CNC 电火花加工设备。据名古屋金型公司工作人员介绍,由于采用 CNC 机 床、加工中心等先进加工设备,大大缩短了模具的交货期限,降低了生产 成本。公司生产的汽车前后尾灯灯罩注塑模具交货期限为三个月,其中用 于 CAD 和 CAM 的时间分别各为约 100 小时,机械加工时间 100 小时左右, 其余时间为抛光和装配。在这个以生产汽车前后尾灯灯罩注塑模具为主的 小型模具厂, 20 多台机加工设备中, 在 电火花成形加工设备约占 1/3, CNC 铣床和加工中心约占 2/3,只有 1 台加工深孔的枪钻为半自动设备。 在日本的模具制造企业, 很少用到仿形铣床, 其原因一是由于仿形铣床 加工精度较低,增加了抛光工作量和时间;二是制作仿形件增加了生产费 用和时间。有些模具制造厂电火花成形加工机床的使用量也在减少。

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在东芝机械模具厂,几台仿形铣床被用作普通铣削加工。其工作人员 指出:由于高速铣削技术发展很快,而且加工精度、效率不断提高,生产 周期缩短,电火花加工制作工具电极不仅需要时间,还增加了生产成本, 很可能要被取代 在日本模具制造行业, 仿形铣削工艺有被取代的趋势。 关 于高速铣削,在日本模具制造行业和机床行业都是一个热门话题。其关键 技术一是要求高精度、高转速的机床主轴,二是要求使用适应高速切削、 耐高温的铣刀。 名古屋金型公司使用的高速铣削加工中心(三轴数控),它使用一个专 用的高速气压轴承铣削头,转速达到 20000rpm。在生产锻件为主的万能工 业株式会社, 使用瑞士和日本合资生产的 Matsuura FX-5 高速 CNC 铣床(铣 刀转速最高可达 30000rpm,铣削精度 0.01mm)加工锻模,该铣床还配备了 专用的 CAM 软件。日本 OKUMA 金属切削机床公司研制生产了五轴高速模具 加工中心 OKUMA MICR-BI-HP(n=30000rpm,f=30m/min),并为该机床及产 品配备了 CAD/CAM 软件。 我国的模具生产设备有比以前得到了很大的改善,国产制造设备也在 不停的跟新换代,甚至有些产品已经达到世界先进水平,我国还大量进口 了发达国家的先进设备,就是这些设备大大推动了模具制造业的发展。

3.3 CAD/CAM 集成技术在塑料模具制造中的应用
模具 CAD 集成技术是一项重要的模具先进制造技术, 是一项用高技术 改造模具传统技术的重要关键技术。从六五计划开始, 我国有许多模具企 业采用 CAD 技术, 特别是近年, CAD 技术的应用越来越普遍和深入, 大大 缩短了模具设计周期, 提高了制模质量和复杂模具的制造能力。然而, 由 于许多企业对模具 CAD 集成技术认识不足, 投资带有盲目性, 不能很好地 发挥作用, 造成了很大的浪费。 (1)塑料模具 CAD 集成技术 塑料模具的制造, 包括塑料产品的造型设计、模具的结构设计及分 析、模具的数控加工(铣削、电加工、线切割等)、抛光和配试模以及快速 成形制造等。 各个环节所涉及的 CAD 单元技术有: 造型和结构设计(CAD)、 产品外形的快速反求(RE)、结构分析与优化设计(CAE)、辅助制造(CAM)、 加工过程虚拟仿真(SIMULATION)、产品及模具的快速成形(RP)、辅助工艺

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过程(CAPP)和产品数据管理技术(PDM)等。 塑料模具 CAD 集成技术, 就是把 塑料模具制造过程所涉及的各项单元技术集成起来, 统一数据库和文件传 输格式, 实现信息集成和数据资源共享, 从而大大缩短模具的设计制造周 期, 提高制模质量。 (2)塑料产品的 CAD 设计与外形的快速反求 进行塑料模具设计制造的第一步是塑件产品的设计。 传统产品设计方 法是设计者对产品的三维构思用二维平面图纸表达出来, 图纸上标明工艺 及施工方法, 这种方法决定了所设计图形的简单性及不能直接控制制造质 量。现代设计方法是设计者在电脑上直接建立产品的三维模型, 根据产品 三维模型进行模具结构设计及优化设计, 再根据模具结构设计三维模型进 行加工编程及编制工艺计划。这种方法使产品模型设计、模具结构设计、 加工编程及工艺设计都以 3D 数据为基础, 实现数据共享, 不仅能快速提 高设计效率, 而且能保证质量, 降低成本。 电脑塑件产品模型的来源有三种:利用 CAD 系统软件进行产品模型设 计、 利用实物测量进行快速反求建模、 利用其它 CAD 系统的标准格式文件。 针对这三种产品模型的来源方式, 目前已研究出各种技术来提高产品模型 的设计效率和质量。下面进一步分析各种技术的内涵和特点。 利用 CAD 系统软件进行产品模型设计, 其技术主要包括二维几何图形 的绘制、二维参数化图形的设计、三维实体造型设计、三维特征造型设计、 三维参数化实体造型设计、三维曲面造型设计、空间自由造型设计、产品 的外观渲染、产品的动态广告设计等等。这些软件有许多典型的代表。二 维软件有: ME10、CADKEY、AUTOCAD、DHCAD、Genis、Sigraph 等; 三维 软件有: UGII、PRO/E、IDEAS、CATIA、EUCLID 等; 产品自由造型及广 告设计的软件有: Alias、CDRS 等。二维几何图形的绘制是利用平面 CAD 软件绘制零件图形, 即用计算机代替手工绘图;而二维参数化, 即计算机 实现了图形的变量设计, 使修改更加方便;三维造型设计是数字化的产品 的真实形状设计, 它完全表达了产品, 能够进一步为模具设计、分析和加 工提供必要的数学模型;空间自由造型设计是产品外形的艺术设计, 使产 品不仅是功能产品, 也是艺术品;产品的外观渲染是产品的效果设计, 使 产品更加美观、 颜色更加能迎合人们的各种需求; 产品的动态广告设计是

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将产品设计的结果直接制作宣传广告, 进行市场推广。 利用实物测量进行快速反求建模是目前研究的热点之一, 它是产品仿 型基础上进行产品修改设计的重要技术。 其基本原理是通过三座标测量机、 激光测量机或电子抄数仪对实物进行扫描测量, 把测量所获得的数字化的 大量数据点送入高级 CAD 软件的反求模块或专用的反求软件中, 反求软件 可直接读取点数据群, 并可对点数据群进行编辑、过滤、整理、求精、排 序、局部修改与重组, 然后自动生成曲面, 最终获得同实物精确一致的或 经改造的电脑塑件产品模型。这一方式可极大提高新产品设计速率。目前 较成熟的曲面反求建模软件有: Surfacer, Cimatronrenge, Strim100 等。 利用其它 CAD 系统的标准格式文件来建模, 这一方式较方便。由于市 场的全球化和 INTERNET 网络技术的发展, 模具企业的 CAD 技术交流和合作 有许多通过 CAD 文件方式进行。由于 CAD 系统种类较多, 因此文件的格式 就必须遵循国际标准, 如 DXF、IGES、STEP、VDA、STL 等。通过读取标准 格式文件来直接建立或修改后建立产品模型, 既可加快、加深用户与模具 厂家的交流, 也可缩短产品设计周期。 (3)模具的 CAD 设计与分析 模具的 CAD 设计、分析, 包括根据产品模型进行模具分型面的设计、 确定型腔和型芯、模具结构的详细设计、塑料充填过程分析等几个方面。 利用先进的特征造型软件如 PRO/E、UGII 等很容易地确定分型面, 生成上 下模腔和模芯, 再进行流道、浇口以及冷却水管的布置等。确定了这些设 计数据以后, 再利用模具分析软件, 如 MOLDFLOW、CFLOW 进行塑料的成形 过程分析。 根据 MOLDFOLW 软件和它的丰富的材料、 工艺数据库, 通过输入 成形工艺参数, 可动态仿真分析塑料在注塑模腔内的注射过程流动情况 (含多浇口注射时的塑料汇流纹分析)、分析温度压力变化情况、分析注塑 件残余应力等, 根据分析情况来检查模具结构的合理性、流动状态的合理 性、产品的质量问题等。比如是否存在浇注系统不合理, 出现流道和浇口 位置尺寸不当, 无法平衡充满型腔;是否存在产品结构不合理或模具结构 不合理, 出现产品充不满(即短射现象);是否冷却不均匀, 影响生产效率 和产品质量; 是否存在注塑工艺不对, 出现产品的翘曲变形等。 模具通过 CAD 设计和分析, 就可以将错误消除在设计阶段, 提高一次试模成功率。

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在塑料模具设计和分析这一阶段应用了许多新的电脑辅助技术, 如参 数化技术、特征造型技术、数据库技术等。塑料模具中有许多标准件, 如 标准模架、顶出机构、浇注系统、冷却系统等都可以采用基于数据库管理 的参数化特征造型设计方法进行设计或建立标准件库, 这样既可以实现数 据共享, 又可以满足用户对设计的随时修改, 使模具的设计分析快速、准 确、高效。参数化特征造型不仅可以完整地描述产品的几何图形信息, 而 且可以获得产品的精度、材料及装配等信息, 其所建立的产品模型是一种 易于处理、能反映设计意图和加工特征的模型。因此, 参数化特征造型技 术是模具制造过程最重要的技术之一。 (4) 、模具的 CAM 技术的应用、加工仿真及制造 模具的计算机辅助制造(CAM)技术主要应用在数控铣削加工、 线切割加 工、电火花加工等方面。CAM 技术尤其是在复杂模具的型腔、型芯及电极 的铣削加工中起着更加重要的作用。其主要的技术特点包括:(1) 粗、精 加工刀具轨迹的优化规划和 NC 指令的产生; (2) 刀具种类、 特性和材料库 的建立;(3) 切削加工工艺参数的确定;(4) 普通切削和高速切削加工的 特性控制; (5) 过切检查与加工表面的精度控制; (6) 加工过程的电脑实 体仿真切削;(7)电脑控制数控机床的 DNC 技术及群控技术的应用等等。 在 CAM 技术的应用中特别需要 CAD 三维产品模型数据。较多的专业电 脑编程软件如 MASTERCAM、UNIMOD、CIMATRON 等在多曲面的编程加工时对 产品的曲面模型有较高的要求, 如相邻曲面的 U、 方向的一致性、 V 曲面与 曲面的高精度拟合、曲面斜率连续变化等。在高级 CAD/CAM 一体化系统中 (如 UGII、PRO/E), 由于利用了参数化特征造型设计和同一数据库技术, 使得产品模型数据、模具的型腔和型芯模型数据、刀具轨迹数据有着内在 的联系, 产品模型的修改刀具轨迹亦自动修改。 模具加工实体仿真技术越来越成熟, 也越来越受到人们的重视。加工 实体仿真是在电脑上模仿机床的加工过程, 能直观反映加工的结果, 能直 接评估加工后零件的质量, 能检查出加工的错误。在检查加工后零件的质 量时, 可在电脑上对加工后的实体模型进行任意的剖切, 直接测量其尺寸 和精度。因此, 它能把错误消除在加工工艺编程设计阶段, 减少加工后的 修补和返工, 大大提高模具的制造效率和质量。

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(5)塑料产品及其模具的快速成形制造 塑料产品及其模具用电脑 CAD 技术设计完成后, 可通过快速成形技术 来制造。这是一种全新概念的制造技术, 它摒弃了传统的机械加工方法。 其成形原理是将三维 CAD 实体模型离散成设定厚度的一系列片层数据, 利 用激光成形机或其它成形设备读取这些数据, 用材料添加法技术, 依次将 每层堆积起来成形。这一技术称为快速自动成形技术(Rapid Prototype)。 它也是 CAD 集成技术的重要组成部分。 根据上述成形法特点, 快速成形技术的作用主要在于: 制造用于设计和试验的产品模型、制造用于小批量生产的模具和小批量特 殊零件的加工。快速成形技术制造的产品模型在材质方面比传统加工方法 制造的产品模型有所差别, 但在外形及尺寸方面几乎完全一样, 而且有一 定的机械强度, 可作功能性试验, 同时经过表面处理, 看起来与真实产品 一样, 可作广告宣传品。快速成形技术制造的模具, 目前主要是软材料的 成形模(蜡模、环氧树脂模、硅橡胶模、低熔点合金铸造模等)和陶瓷或金 属基合成材料硬型腔模。制造硬模时可用快速成形零件作母模, 先制作环 氧树脂模或其它材料的软模, 在软模中浇注陶瓷或石膏模, 然后浇铸钢成 钢模; 或者在软模中浇注混合有化学粘结剂的钢粉, 进行烧结成钢模。 快 速成形技术制造的钢模需进一步做抛光等后加工, 制成小批量生产的注塑 模。 由于模具是用钢粉浇注或烧结而成, 材质与普通模具钢有一定的差距, 因此, 寿命较短, 只能做试制产品或小批量生产。另外, 快速成形技术也 可以制作特殊的零件, 如用冶金粉末法制作金属电极、精密铸造法制作铜 电极、研模法制作石墨电极等。 快速成形技术制作模具和产品的成型设备, 均是读取 CAD 系统产生的 STL 或 CLI 等文件格式数据, 不同的文件格式数据对制作的产品精度有较 大的差距, 因此, 研究 CAD 系统对快速成形设备的文件格式输出有相当重 要的意义。 (6)模具 CAD 集成技术的发展趋势 综上所述, 模具 CAD 集成技术就是应用于模具制造各个环节的计算机 辅助技术和实现各环节信息集成的技术。显然, 信息集成与数据统一管理 是关键。产品的信息是贯穿于设计、分析、加工、检测、装配等各个阶段,

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实现各环节信息的流畅、解决数据格式的标准化及数据维护与共享是未来 CAD 集成技术发展的重点。 系统的出现为解决这一问题带来了曙光。 PDM PDM 系统的实施是模具企业应用 CAD 集成技术的重要课题。在模具的设计制造 方面, 含有丰富专家知识的智能化模具 CAD/CAM 系统的研究、高速切削加 工及其编程等是未来研究发展的趋势。

4 塑料模具制造业的发展前景以及所面临的挑战
塑料模具尽管成为时下最为诱人的“奶酪” ,但樱桃好吃树难栽。由于 塑料零配件形状复杂、设计灵活,对模具材料、设计水平及加工设备均有 较高要求,并不是人人都可以轻易涉足的。我国模具行业虽已经驶入发展 快车道,但由于在精度、寿命、制造周期及能力等方面,与国际水平和工 业先进国家相比尚有较大差距,所以还不能满足我国制造业发展的需求。 特别是在精密、大型、复杂、长寿命模具方面,仍旧供不应求。因此,每 年尚需大量进口。 经济部 IT IS 计划调查资料显示,目前国内高精密模

具仍依赖日本,其中因国内模具技术不足而进口的电子、光电元件每年超 过 2000 亿元,不少 3C、光电大厂逐渐体会到模具开始对终端产品品质、 推出时间都有重大影响,也急于建立自有模具架构,因此希望能透过专业 模具厂商协助,提供品质稳定、保密性佳、迅速配合设计变更、价格合理 的模具服务。另一方面,目前中国中低档水平的塑料模具基本能够自足, 但缺乏精密、大型、科技含量高、寿命长的模具,这些产品大部分需要从 国外进口,每年进口额高达 6.93 亿美元。 现阶段模具原材料价格和人员工资不断上涨, 但模具价格却不涨反落, 致使模具企业利润不断下降,部分企业出现亏损,亏损额增大。据中国模 具工业协会对全国 270 个主要模具生产企业调查, 2005 年产值利润率比上 年下降了 2.1 个百分点,销售收入利润率比上年下降了 3.1 个百分点。全 国规模以上企业全年亏损额 2005 年达 2.6 亿元,大幅增加。这一趋势,还 在延续。对外资的依存逐年增大。我国加入世贸组织已过 6 年,外贸高速 发展,我国经济对外贸的依存度从 30%上升到 70%。同时,近年来,正是外 资大量进入我国的时期,随着对外开放政策的不断扩大和深化,外资在我 国模具行业的投资也越来越多,致使对外资的依存度也逐年增大。例如广 东省是我国模具第一大省,其产能约占全国的 40%左右。该省的模具产能

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中,外资企业已占 60%左右,合资企业约占 10%左右。该省模具出口约占全 国的 50%左右,其中由外资、合资企业出口的也占其出口量的多数。对外 资和外贸依存度大,会对行业安全,乃至整个国家的经济安全产生重大影 响。目前中国与国外水平相比还存在较大差距,眼前需尽快突破制约模具 产业发展的三大瓶颈:一是加大塑料材料与注塑工艺的研发力度;二是塑 模企业应向园区发展,加快资源整合;三是模具试模结果检验等工装水平 必须尽快跟上,否则塑料模具发展将受到制约。专家指出,面对国外先进 技术与高质量制品的挑战,中国塑模企业不仅要加快产业集群化,发挥规 模效应,还要注重模具产业链的前端研发、人才建设和产业链后端的检测 以及信息服务,尽快缩短技术、管理、工装水平与国际水准的差距。这是 塑料模具企业在发展中必须解决的重要问题。

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参考文献
王国中 《注塑模具 CAD/CAE/CAM 技术》 王立华 《模具制作实训》 邓明 《现代模具制造技术》 林慧国 《模具材料应用手册》 北京理工大学出版社 清华大学出版社 化学工业出版社 机械工业出版社

周永泰 《我国塑料模具现状与发展趋势》 北京市塑料研究所出版社


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在我完成本文的过程中遇到了大量困难,最终在刘志红老师和同学们的帮助下完 成了本文。 在完成本文的过程中我学到了许多以前在专业课堂里面没学到的知识, 并 学会一些做事的道理和方法。本论文能顺利完成,除了自己的不懈努力,还参考了许 多有价值的文献和资料, 更重要的是离不开同伴的积极配合和协作, 还有老师的诚恳 指导和指正,在大家的一致努力下,我的论文才能很好的完成,在此特感谢以上人士 在毕业论文中给予我的帮助和大力支持。由于本人水平有限,难免出现一些错误,欢 迎大家批评指正。

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